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PＣD 刀具車削鋁（lǚ）合金表麵粗糙度的研究

2016-10-27 來源：陽江職業技術學院（yuàn）深圳信息職業技（jì）術學院作者（zhě）：喬龍陽劉白

摘要:影響（xiǎng）PCD 刀具車削鋁合金表麵粗糙度的主要因素是切削速度、進給量、背吃刀量。以黃金分（fèn）割法設計了實驗方案,優選（xuǎn）了三因素的水平（píng）範圍（wéi）,用等距法設置了水平值。實（shí）驗結果表明,對工件車削表麵粗糙度影響最大的因素是進給量,次之是切削深度,切削速度（dù）的影響最小。通過正交實驗（yàn）法驗證了上述實驗數據並篩選了含優區間,獲（huò）得了（le）本工藝（yì）的最佳切削參數。

關鍵詞（cí）:PCD 刀具；車削；鋁（lǚ）合金；黃金分割法（fǎ）；表麵粗糙度

０. 引言

為滿足使（shǐ）用性能、外形（xíng）美觀等要求,５0５2 鋁合金產品的表麵粗糙度需達到（dào）Ｒａ0.4 以上的技術要求。但是,傳統加工普遍采用硬質合金刀具低速車削加工,切屑容易與刀具發生“膠焊”或粘連,形成積屑瘤,加工（gōng）質量差、生產效率非常低[1-2] 。

PCD 刀具材料硬度高、導熱性好、摩擦係數小,使得切屑變形和切削力降（jiàng）低、刀具磨（mó）損緩慢、切（qiē）削過程更為穩定,有利於降低表麵粗糙度（dù）[3-５] ,高速車削[６] 時零件表（biǎo）麵可達到鏡麵效果,是目（mù）前車（chē）削鋁合金（jīn）理想的刀具材（cái）料。不足之處是針對５0５2 鋁合金的研究,大多是麵（miàn）向其生產工藝[7] 、焊接組織和性能[８-９] 等方麵的研究,而針對其車削加工性能（néng）的（de）實（shí）驗研究（jiū）很少,因此開展PCD 刀具（jù）車削鋁（lǚ）合金表麵粗糙度的研究,對於提高這類材料（liào）產品質量和生產效率有著現實的意義。

鋁合金車削性能相關的實驗研究,大多（duō）采（cǎi）用正交實驗或單因素實驗等方（fāng）法,這些方（fāng）法存在實驗次（cì）數多、實驗精度不高（gāo）的缺點。現以黃（huáng）金（jīn）分割法優選影響５0５2 鋁合金表麵粗糙度的切削參數因素（sù）水平範圍,以等距（jù）法確定因素（sù）水平值,以正交實驗篩選驗證,得出影響表麵（miàn）粗糙度的（de）主要（yào）因素,確定臨界區域,以黃金分（fèn）割法為單因（yīn）素考察方法,確定PCD 刀具車削５0５2 鋁合（hé）金表麵粗糙度的最佳（jiā）工藝條件。

１. 黃金分割法實驗原（yuán）理

黃金分割法是（shì）通過逐步縮小搜索區間,來求得一元函數極值點近似值的一種方法,又稱為0.６1８法。黃（huáng）金分割法實（shí）驗點選取,如圖1 所（suǒ）示,實驗範（fàn）圍[ａ,ｂ] ,將第一個實驗點ｘ1安排在實驗範圍內的0.６1８處(距左端點ａ),即ｘ1 ＝ａ＋(ｂ-ａ)×0.６1８,得到實驗結果ｆ(ｘ1 )；再在ｘ1的對稱點ｘ2 ,即ｘ2 ＝ａ＋(ｂ -ａ) ×0. 3８2,得到實驗結（jié）果ｆ(ｘ2 ),且ｆ(ｘ) 值越大,效果越（yuè）好。若ｆ(ｘ1 ) >ｆ(ｘ2 ),即ｆ(ｘ1 )比ｆ(ｘ2 )好,則根據“留好去壞”的原則,去掉實驗範圍[ａ,ｘ2 ] 部分,在[ｘ2 ,ｂ] 內繼續實驗。以後每（měi）次取（qǔ）一個（gè）試點,比（bǐ）較2 個結果,去壞留好,進一步縮小範圍,進一步做實驗。

圖１黃金分割法實驗點提取示意圖（tú）

在生產實踐和科學實驗中（zhōng）,應用黃金分割法（fǎ）單因素實驗可以有效減少（shǎo）實驗次數,去掉“劣”點部分（fèn）,保留“優”點部分,快速逼近真實值,並得到更為精（jīng）準的實驗（yàn）數據。

２. 實驗條件

實驗材料:５0５2 鋁合金,規格為（wéi）Φ６0 mm×５５ mm 的鋁合金管,壁（bì）厚（hòu）4 mm,采用專用向心結構夾具裝夾定位。

刀（dāo）具材（cái）料:三菱公（gōng）司PCD

材質MD220。

實驗機床:XKNC-５0G 精密數控車床,主軸最大轉速６ 000 ｒ/ min。

實驗儀器:JB-3C 粗糙度測試儀,分辨率0.001 μm,Ｒａ值測量範圍（wéi）0.001-10 μm。

車削環境:濕式車削,采（cǎi）用煤油作為切削液。

評價方法:取輪廓算術偏差Ｒａ作為評價參數,測量（liàng）時取（qǔ）樣長度為1 mm,評定長度為５ mm。

３. 實驗方法

為了獲得較好的實驗效（xiào）果,對（duì）影（yǐng）響表麵粗糙度較大的切削參數三因素切削（xuē）速度（dù）、進給量和背吃刀量,開展黃金分（fèn）割法（fǎ）優選實驗,逐步縮小（xiǎo）實驗範圍（wéi）,直至取得最佳的實驗數據。

３.１黃金分（fèn）割法優選實驗

1) 利用黃金分割法（fǎ）確定進給量的水平範圍

依據王洪祥等[10] 金剛石車削（xuē）表麵微觀形貌形（xíng）成機（jī）理的研究,認為表麵粗（cū）糙度值與進給量和刀尖圓弧半（bàn）徑存在如下關係:

依據（jù）此經驗公式,選取進給量實驗範圍[0.02,0.20]、背吃（chī）刀量0.3 mm、切削速度６00 m/ min。按黃金（jīn）分割法實驗（yàn）點的（de）提取（qǔ）步驟,在[0.02,0.20]的0.６1８處取值,選取第1 實驗點為:

Ｐ1 ＝0.02＋0.６1８(0.20-0.02)＝ 0.131 2

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝0.02＋0.3８2(0.20-0.02)＝ 0.0８８ 7

實驗測得Ｐ2的表麵（miàn）粗糙度值Ｒａ1.37５ μm 優於Ｐ1 的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ1.８41 μm,則舍棄不包（bāo）括Ｐ1 點的以（yǐ）外部分,在留下部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。

第3 實驗點為:

Ｐ3 ＝0.02＋0.3８2(0.131 2-0.02)＝ 0.0６2 ５

實驗測得Ｐ3的表（biǎo）麵粗糙度值Ｒａ0.８43 μm 好於Ｐ2 的表麵粗糙度值Ｒａ1.27５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下的部分中（zhōng）找到Ｐ3的對稱點。

第4 實（shí）驗點（diǎn）為:

Ｐ4 ＝0.02＋0.3８2(0.0８８ 7-0.02)＝ 0.04６ 2

實（shí）驗測得的Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm 好於Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ0.８43 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ4的對稱點。

Ｐ５＝0.02＋0.3８2(0.0６2 ５-0.02)＝ 0.03６ 2

實驗測得的Ｐ５的（de）表麵粗糙度值Ｒａ0.371 μm 好於Ｐ4的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ0.4９５ μm,則舍棄不包括Ｐ4 的以外部分。

進給量對表麵粗糙度的影響,如圖2 所示。隨著進給量的增（zēng）大,工件表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）顯著增大。實驗點所在實（shí）驗範圍包括含優點（diǎn）,則實驗（yàn）結束,優（yōu）選實驗範（fàn）圍為[0.02,0.04６] 。

圖２進給量對表麵粗糙度的影響

2) 利用黃金分（fèn）割法確定切削速度的水（shuǐ）平範圍

選取切削速度實驗範圍[５00,1 000]、背吃刀量0.3 mm、進給量（liàng）0.1 mm/ ｒ。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在（zài）[５00,1000]的0.６1８處取值,選（xuǎn）取第1 實驗點（diǎn）為:

Ｐ1 ＝５00＋0.６1８(1 000-５00)＝８0９

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝５00＋0.3８2(1 000-５00)＝６９1

實驗測得Ｐ1的表麵（miàn）粗糙度值Ｒａ1.241 μm 優於Ｐ2 的表（biǎo）麵粗（cū）糙度（dù）值Ｒａ1.37５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的（de）以外部分,在留下部（bù）分再找出Ｐ1的對稱點（diǎn）Ｐ3。

第3 實驗點（diǎn）為:

Ｐ3 ＝６９1＋0.６1８(1 000-６９1)＝８８2

實驗測得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.233 μm 好於Ｐ1 的表麵粗糙度值Ｒａ1.241 μm,則舍棄不包（bāo）括Ｐ1 點的以外部分。

切削速度對表麵粗糙度（dù）的影響,如圖3 所示。隨著切削速度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸減小,在切削速度達到８00 m/ min 以（yǐ）上值後,對表（biǎo）麵粗糙度的影響降低,表麵粗（cū）糙度值趨於穩定。因此,實驗結束,優選範圍為[８0９,1 000] 。

圖（tú）３切削速度（dù）對表麵粗糙度的影響

3) 利用黃金分割法確定背（bèi）吃刀量（liàng）的水平範圍

選取背吃刀量實驗範圍[0.0５,1.0]、進給量0.1 mm/ ｒ、切削速度（dù）６00 m/ min。按黃金分割法實驗點的（de）提取步驟（zhòu）,在[0.0５,1.0]的0.６1８處（chù）取值,選取第1 實驗點（diǎn）為（wéi）:

Ｐ1 ＝0.0５＋0.６1８(1.0-0.0５)＝ 0.６37 1

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝0.0５＋0.3８2(1.0-0.0５)＝ 0.412 ９

實驗測得Ｐ2的表麵粗糙度值Ｒａ1.41５ μm 優於Ｐ1 的表麵粗糙度值Ｒａ1.５５4 μm,則舍棄不包括（kuò）Ｐ1 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。

第3 實驗點為:

Ｐ3 ＝0.0５＋0.3８2(0.６37 1-0.0５)＝ 0.274 3

實驗測得（dé）Ｐ3的表麵粗糙（cāo）度值Ｒａ1.2９3 μm 好於Ｐ2 的表麵（miàn）粗糙度值Ｒａ1.41５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的對稱點（diǎn）。

第4 實驗點為:

Ｐ4 ＝0.0５＋0.3８2(0.412 ９-0.0５)＝ 0.1８８６

實驗（yàn）測（cè）得的Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好於Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部（bù）分中找（zhǎo）到Ｐ4的對稱（chēng）點。

Ｐ５＝0.0５＋0.3８2(0.274 3-0.0５)＝ 0.13５ 7

實驗測得的Ｐ4的表（biǎo）麵粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好於（yú）Ｐ５的表麵粗糙度值Ｒａ1.2８0 μm,則舍棄不包括（kuò）Ｐ５的以外部分。

背吃刀量對表麵粗糙度的影（yǐng）響,如圖4 所示。隨著切削深度的增大,工件表麵粗（cū）糙度值逐漸增大,增大趨勢不明顯（xiǎn）；但在（zài）切削深度小於0.1 mm 時,測得工件表麵粗糙度又趨（qū）於反方向細微增（zēng）大。實驗（yàn）結束, 優選範圍（wéi）為[0.13５ 7,0.274 3] 。

圖（tú）４背吃刀量對表麵粗糙度的影響

３.２等距法確（què）定因素（sù）水平值

依據等距法,切削速度範圍[８0９,1 000] ,因素水（shuǐ）平值為８0９、９0５、1 000；進給量範圍[0.02,0.04６] ,因素水平值為0.02、0.033、0.04６；背（bèi）吃刀量範圍[0.13,0.27] ,因素水平值為0.13、0.20、0.27。

３.３正交實驗

采用三因素三水平Ｌ９(33)組合切削參數,3 個因素分別是:切削速（sù）度νｃ、進（jìn）給量ｆ和背吃（chī）刀量ａｐ ,以工（gōng）件表麵粗糙（cāo）度作為質量（liàng）特（tè）征,評（píng）價切削參數的（de）優劣。正交實驗的因（yīn）素水平表見表1。

表１正交實驗因素水平表

ｔ正交實驗方（fāng）案與結果見表2。

表２正交實驗方案及結果

由實驗（yàn）數據分析,對工（gōng）件表（biǎo）麵粗糙度影（yǐng）響（xiǎng）最大的因素是進給量,次之是（shì）切削深度,切（qiē）削速度的影響（xiǎng）最小。如圖５所示,切削參數對表麵粗糙度的（de）影（yǐng）響驗證,隨著切削（xuē）速度的增大,工件表麵粗糙度值逐（zhú）漸減（jiǎn）小；隨著切削深度的增大,工件表麵（miàn）粗糙度（dù）值逐漸增大；隨著進給量的增大,工（gōng）件表麵粗糙度值顯著增大。工件（jiàn）表麵二次元成（chéng）像微觀機理顯示,隨進給量的增大,走刀間距變大,工件表麵上紋路清晰（xī）,是造成工件表麵粗糙度值變（biàn）大的（de）主要因素。

圖（tú）５切削參數（shù）對表麵粗糙度的影響

正交實驗驗證:在穩（wěn）定的高速車（chē）削環境下,切削速度與切削深度（dù）對表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）影（yǐng）響較小,進給量是造成工件表麵（miàn）粗糙度值變大的主要（yào）因素。提取進（jìn）給量的含優區間為[0.033,0.04６]。

３.４黃金分割法單（dān）因素實驗

選取進給量實驗範圍[0. 033,0. 04６]、背（bèi）吃刀量0.2 mm、切削速（sù）度９00 m/ min。按（àn）黃金分割法實驗點的提取步（bù）驟,在[0.033,0.04６]的0.６1８處取值,選取第1 實驗點為（wéi）:

Ｐ1 ＝0.033＋0.６1８(0.04６-0.033)＝ 0.041

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝0.033＋0.3８2(0.04６-0.033)＝ 0.03８

實驗Ｐ1 的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ0.3９1 μm,Ｐ2 的表麵粗糙度值（zhí）Ｒａ0.3８7 μm,則Ｐ1 測得（dé）的是最優實驗值。實驗結束,進給量取值為0.041 mm/ ｒ。

４. 結語

在穩定的高速車削（xuē）環境下,切削（xuē）速度與切削深度對表麵粗（cū）糙度值影響較小,進給量是影響工件表麵粗糙度值變化的主要因素。PCD 刀（dāo）具車削５0５2 鋁合金表麵粗糙度達到Ｒａ0. 4 技術（shù）要求（qiú）的最佳（jiā）工藝參數是: 進給量（liàng）0.041 mm/ ｒ、背吃（chī）刀量0.2 mm、切削速度（dù）９00 m/ min。黃金（jīn）分割法應用於鋁合金車削表（biǎo）麵（miàn）質量的實驗研究（jiū）,拓寬了實驗方法,有效地減（jiǎn）少（shǎo）了實驗次數,提高了實驗（yàn）精（jīng）度（dù）。所獲得的實驗數據為這類材料高精度、高（gāo）效率車削加工提供了可靠（kào）的（de）理論依據。

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